Material som utsätts för neutronstrålning tenderar att uppleva betydande skador, vilket leder till de utmaningar som ingår i immobilisering av kärnavfall eller kärnkraftverk. På nanoskala, dessa infallande neutroner kolliderar med ett materials atomer som, i tur och ordning, sedan kollidera med varandra något som liknar biljard. Det resulterande störda atomnätverket och dess fysiska egenskaper liknar de som ses i vissa glasartade material, vilket har fått många inom området att använda dem i kärnkraftsforskning.

Men likheterna mellan materialen kanske inte är så användbara som man tidigare trott, enligt nya resultat som rapporterades denna vecka i Journal of Chemical Physics .

De störda atomnätverken av glasartade ämnen beror på vitrifiering, omvandlingen av ett ämne till glas genom att det smälter och (vanligtvis) snabb efterföljande kylning. Under denna kylning, eller släckning, atomer har inte tid att slå sig ner på ett organiserat sätt, och istället bilda ett oordnat atomnätverk. Detta ledde en grupp forskare från University of California, Los Angeles (UCLA) och Oak Ridge National Laboratory för att utforska frågan:Har bestrålning och vitrifiering samma effekt på materialets atomstruktur?

För att hitta ett svar utforskade de kvarts, ett enkelt men allestädes närvarande material i naturen som används för otaliga tekniska applikationer.

Traditionella experiment tillåter inte forskare att "se" atomer direkt, särskilt inom oordningsmaterial. Så, för deras studier, gruppen förlitade sig på atomistiska simuleringar med tekniken molekylär dynamik.

"Tekniken för molekylär dynamik är baserad på numerisk lösning av Newtons rörelselagar för en grupp interagerande atomer, sade Mathieu Bauchy, en biträdande professor vid civil- och miljöteknik vid UCLA. "Alla atomer applicerar en kraft på varandra som kan användas för att beräkna accelerationen för varje atom över tid."

Baserat på denna teknik, de kunde simulera den bestrålningsinducerade störningen av kvarts genom att sekventiellt kollidera nätverkets atomer med fiktiva infallande neutroner.

"Vi simulerade också kvartsförglasning genom att värma upp och snabbt släcka atomerna, "Sa Bauchy." Slutligen, vi jämförde den resulterande atomstrukturen för dessa två störda material. "

De upptäckte överraskande skillnader.

"Helt oväntat, vi fann att den störning som orsakas av bestrålning skiljer sig i naturen från den som orsakas av förglasning, ", sa Bauchy. "Detta är ganska överraskande eftersom glas och starkt bestrålade material vanligtvis uppvisar samma densitet, så att glasögon ofta används som modeller för att simulera effekten av exponering för strålning på material."

I kontrast, forskarnas resultat tyder på att bestrålade material är mer oordnade än glasögon. "Atomstrukturen hos bestrålade material är faktiskt närmare en vätskes struktur än ett glas, Sa Bauchy.

Gruppens resultat kan ha allvarliga konsekvenser för valet av material för kärnkraftsapplikationer.

"Först, vi föreslår att nuvarande modeller kan underskatta omfattningen av skadorna som uppvisas av material som utsätts för bestrålning, vilket väcker uppenbara säkerhetsproblem, "sade N.M. Anoop Krishnan, en postdoktoral forskare också vid UCLA. "Andra, de olika karaktärerna av bestrålnings- och vitrifikationsinducerad störning tyder på att glasögon också kan påverkas av bestrålning. "

Detta är en betydande upptäckt eftersom glasögon, som tros "självläka" under bestrålning, används vanligen för att immobilisera kärnavfall via förglasning.

"Dessa avfallsformer förväntas förbli stabila i miljontals år när de har deponerats i geologiska förråd, så vår bristande förståelse för effekten av bestrålning representerar en verklig oro, "Sa Krishnan.

Nästa, gruppen planerar att undersöka effekten av bestrålning på vanliga aggregat som finns i betong från kärnkraftverk och på kärnkraftsavfall. "I sista hand, vårt mål är att utveckla nya modeller för att förutsäga den långsiktiga effekten av bestrålning på strukturen och egenskaperna hos material, Sa Bauchy.